KR101340337B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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KR101340337B1
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타다히로 오오미
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
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Abstract

마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 마이크로파에 의해 가스를 여기시켜 기판(G)을 플라즈마 처리하기 위한 처리 용기(100)와, 마이크로파를 출력하는 마이크로파원(900)과, 마이크로파원(900)으로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 전송 선로와, 처리 용기(100)의 내면에 설치되어, 마이크로파를 처리 용기(100) 내로 방출하는 복수의 유전체판(305)과, 복수의 유전체판(305)에 인접하여, 마이크로파를 복수의 유전체판(305)으로 전송하는 복수의 제1 동축관(610)과, 전송 선로를 전송해 온 마이크로파를 복수의 제1 동축관(610)에 분배하여 전송하는 동축관 분배기(600)를 갖는다. 동축관 분배기(600)는, 입력부(In)를 갖는 제2 동축관(620)과, 복수의 제1 동축관(610)에 연결되는 상이한 구성의 분기 구조(B1, B2)를 포함한다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 전자파에 의해 가스를 여기(excitation)시켜 피(被)처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 특히, 전자파를 전송시키는 동축관의 분기에 관한 것이다.
최근, 기판의 대형화에 수반하여, 플라즈마 처리 장치의 대형화의 요청이 있다. 대면적의 기판에 균일하게 플라즈마 처리를 행하기 위해서는, 전자파의 급전 포인트(power supply point)를 복수로 하는 편이 좋다. 예를 들면, 대형 장치에 있어서도 균일하게 급전하기 위해, 급전 포인트가 되는 복수의 동축관을 장치의 천정면 상부에 어레이 형상으로 배치하고, 복수의 동축관으로부터 동일한 진폭 및 동일한 위상의 전자파를 공급함으로써, 전자파를 천정면 전체에 균등하게 급전하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이에 따라, 천정면 전체에서 가스의 전리나 해리가 균등하게 촉진되어, 대형 장치라도 천정면 하방에서 균일한 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마를 이용하여 기판에 양호한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
일본공개특허공보 2008-305736호
상기 급전을 실현하기 위한 전송 선로의 일 예로서는, 예를 들면, 도 13과 같이, 주관(90)으로부터 동일 구조의 복수의 분기 동축관(92)으로 다분기(多分岐)되는 경로를 생각할 수 있다. 이 경우, 입력부(In)로부터 입력된 전자파는, 주관(90)을 전송하여, 각 분기 동축관(92)을 통하여 각 셀(Cel)(각 금속 전극(94))로부터 장치 내에 공급된다. 각 셀(Cel)은 천정면을 균등한 직사각형 영역으로 구획한 가상 공간이다. 도 13에는, 천정면을 12구획으로 등분한 셀(Cel)이 나타나 있다.
각 셀(Cel)에 전자파를 공급하기 위해, 셀 1개당 많은 부품이 필요해진다. 한편, 부품 점수는 셀 수에 비례하고, 셀의 크기에는 비례하지 않는다. 따라서, 각 셀(Cel)의 면적을 가능한 한 크게 하여, 셀(Cel)의 개수를 적게 하면 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 셀(Cel)의 형상을 정사각형으로 하면, 각 셀(Cel)에 대하여 좌우 및 상하의 대칭성이 좋아져 전계 강도의 분포에 치우침이 없어져, 셀(Cel)을 비교적 크게 해도 균일한 플라즈마를 생성하기 쉬워진다. 따라서, 셀(Cel)이 정사각형이고, 그리고 각 셀의 면적을 비교적 크게 하면, 플라즈마의 균일성 및 비용의 점에서 유리하다.
그러나, 기판에 균일한 플라즈마 처리를 행하기 위해서는, 기판의 단부(端部)에서 플라즈마 밀도가 옅어지는 것을 고려하여, 플라즈마 여기 영역이 기판보다 커지도록 플라즈마 처리 장치를 설계할 필요가 있다. 즉, 셀의 형상이나 크기를 설계할 때, 기판의 사이즈에 의해 제한이 발생한다. 또한, 셀이 너무 커지면 금속 전극(94) 등의 금속면의 중앙부까지 전반하는 금속 표면파의 감쇠가 심해져, 플라즈마의 불균일을 초래하기 때문에, 셀의 사이즈를 단순히 크게 하는 것만으로도 좋지 않다.
따라서, 크기가 미리 정해져 있는 기판에 대하여 셀의 면적을 비교적 크게 하면서 적당한 사이즈로 하여 플라즈마 여기 영역을 확정할 필요가 있지만, 도 13과 같은 동축관 분기 구조에서는, 분기 동축관(92)의 피치를 일정하게 할 필요가 있는 등의 제약으로부터, 셀의 사이즈를 자유롭게 설정하는 것이 곤란한 경우가 있다.
본 발명의 목적은, 셀의 사이즈 설정의 자유도를 크게 할 수 있는 마이크로파 전송용 동축관 분배기의 분기 구조를 갖는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 어느 실시 형태에 의하면, 전자파에 의해 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기와, 전자파를 출력하는 전자파원과, 상기 전자파원으로부터 출력된 전자파를 전송하는 전송 선로와, 상기 처리 용기의 내면에 설치되어, 전자파를 상기 처리 용기 내로 방출하는 복수의 유전체판과, 상기 복수의 유전체판에 인접하여, 전자파를 상기 복수의 유전체판으로 전송하는 복수의 제1 동축관과, 상기 전송 선로를 전송해 온 전자파를 상기 복수의 제1 동축관에 분배하여 전송하는 1단 또는 2단 이상의 소정의 단수를 갖는 복수의 동축관 분배기를 구비하고, 상기 복수의 동축관 분배기 중 적어도 1개는, 다른 동축관 분배기와 단수가 상이한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 상기 복수의 동축관 분배기 중 적어도 1개는 예를 들면 단수가 1단이고, 다른 동축관 분배기의 단수는 예를 들면 2단이다.
또한 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 전자파에 의해 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기와, 전자파를 출력하는 전자파원과, 상기 전자파원으로부터 출력된 전자파를 전송하는 전송 선로와, 상기 처리 용기의 내면에 설치되어, 전자파를 상기 처리 용기 내로 방출하는 복수의 유전체판과, 상기 복수의 유전체판에 인접하여, 전자파를 상기 복수의 유전체판으로 전송하는 복수의 제1 동축관과, 상기 전송 선로를 전송해 온 전자파를 상기 복수의 제1 동축관에 분배하여 전송하는 1단 또는 2단 이상의 동축관 분배기를 갖고, 상기 동축관 분배기 중 적어도 일단(一段)은, 상기 복수의 제1 동축관에 각각 연결되는 상이한 구성의 분기 구조와, 상기 상이한 구성의 분기 구조가 연결되는 주(主)동축관을 포함하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
이에 의하면, 상기 플라즈마 처리 장치에 설치된 상기 동축관 분배기의 주동축관은, 상이한 구성의 분기 구조에 연결되고, 각 분기 구조를 개재하여 상기 복수의 제1 동축관의 각각에 연결된다.
예를 들면, 상기 분기 구조는, 제1 분기 구조 및 제2 분기 구조의 2종류를 갖고 있어도 좋다.
상기 제1 분기 구조는, 분기되지 않고 상기 복수의 제1 동축관의 적어도 어느 하나에 연결되어도 좋다.
상기 제2 분기 구조는, 분기되어 상기 복수의 제1 동축관의 적어도 어느 하나에 연결되어도 좋다.
상기 제2 분기 구조는 2분기라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 상기 주동축관에 상이한 구성의 분기 구조를 연결함으로써, 분기 끝에 연결된 제1 동축관의 배치 위치를 적정화할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 여기 영역이 기판보다 커지도록 각 셀을 설계하면서, 각 셀의 형상을 거의 정사각형으로 하고, 그리고 셀의 면적을 비교적 크게 할 수 있다. 이 결과, 기판의 단부의 플라즈마 밀도가 옅게 되지 않고, 기판에 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있음과 함께, 셀 수를 줄일 수 있다. 이에 따라, 부품 갯수를 줄여 비용을 저감시킨 플라즈마 처리 장치를 구축할 수 있다.
상기 주동축관에 연결되는 입력부를 갖는 제2 동축관을 갖고 있어도 좋다.
상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 주동축관에 교대로 연결되어도 좋다.
상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 제2 동축관과 상기 주동축관과의 연결부로부터 상기 주동축관의 양측을 향하여 상기 주동축관에 교대로 연결되어도 좋다.
상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조가 상기 주동축관에 연결되는 연결 부분의 피치는, 전기장(electric length)으로 2πnrad(n은 정수)라도 좋다.
상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조가 상기 주동축관에 연결되는 연결 부분의 피치는, 상기 제2 동축관과 상기 주동축관과의 연결부를 제외하고 전기장으로 2πnrad(n은 정수)라도 좋다.
상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 제2 동축관에 대하여 대칭적으로 상기 주동축관에 연결되어도 좋다.
상기 복수의 제1 동축관 내의 적어도 어느 하나에는, 제1 유전체가 매입되어 있어도 좋다.
상기 제1 유전체는 테이퍼 형상이라도 좋다.
상기 제1 유전체는, 상기 제1 동축관의 내부 도체와 외부 도체와의 사이에 개재되어도 좋다.
상기 제1 유전체는, 테이퍼 형상으로 형성됨으로써 상기 제1 동축관의 특성 임피던스를 변환해도 좋다.
상기 제1 유전체는, 그 길이에 따라 상기 제1 동축관의 전기장을 조정해도 좋다.
상기 복수의 제1 동축관은, 상기 복수의 유전체판에 등(等)피치로 각각 연결되고, 각 피치는, 상기 주동축관의 전기장을 기준으로 하여 4πn/3(n은 정수)rad라도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 마이크로파를 전송시키는 동축관 분배기에 상이한 분기 구조를 포함함으로써, 자유도가 높은 전송 선로를 구축할 수 있고, 이에 따라 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일부를 확대한 종단면도(3-0, 0'-3 단면)이다.
도 2는 동(同) 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 천정면을 나타낸 도면(1-1 단면)이다.
도 3은 동 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 천정 상부에 배치된 도파관 및 마이크로파원 등을 나타낸 도면이다.
도 4는 동 실시 형태에 따른 도파관과 동축관과의 접속 부분을 나타낸 도면(4-4 단면)이다.
도 5는 동 실시 형태에 따른 동축관 분배기 및 분기 구조를 나타낸 평면도(2-2 단면)이다.
도 6은 동 실시 형태에 따른 동축관 분배기의 평면도이다.
도 7은 동 실시 형태에 따른 동축관 분배기의 측면도이다.
도 8은 동 실시 형태에 따른 동축관 분배기의 임피던스 조정 및 위상 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 동 실시 형태에 따른 조정 결과의 일 예를 나타낸 표이다.
도 10은 셀 수 8의 분기 구조 “a”, 셀 수 10의 분기 구조 “b”, 셀 수 12의 분기 구조 “c”, 셀 수 14의 분기 구조 “d”, 셀 수 16의 분기 구조 “e”를 나타낸 도면이다.
도 11은 태양전지용 기판에 적용한 동 실시 형태에 따른 분기 구조의 일 예이다.
도 12는 태양전지용 기판에 적용한 동 실시 형태에 따른 분기 구조의 다른 예이다.
도 13은 동일 분기 구조를 갖는 동축관 분배기의 일 예를 나타낸 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 설명하는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는 다음의 순서로 설명한다.
<제1 실시 형태>
[플라즈마 처리 장치의 구성]
(전체 구성)
(천정면의 구성)
(전송 선로)
(동축관 분배기와 분기 구조)
(제1 유전체)
[각 분기 구조의 임피던스 정합 및 위상 조정 기구]
(특성 임피던스 변환/위상 조정부)
(임피던스 정합)
(제2 분기 구조의 임피던스 정합)
(제1 분기 구조의 임피던스 정합)
[효과의 예]
<제1 실시 형태의 변형예>
[변형예 1에 따른 분기 구조]
[변형예 2에 따른 분기 구조]
[변형예 3에 따른 분기 구조]
[변형예 4에 따른 분기 구조]
[변형예 5에 따른 분기 구조]
[변형예 6에 따른 분기 구조]
<제1 실시 형태>
[플라즈마 처리 장치의 구성]
우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 구성에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 일부를 확대한 종단면(도 2 및 도 5에 나타낸 3-0, 0'-3 단면)도이다. 도 2는 도 1의 1-1 단면으로, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 천정면을 나타내고 있다.
(전체 구성)
도 1에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 유리 기판(이하, 「기판(G)」이라고 함)을 플라즈마 처리하기 위한 처리 용기(100)를 갖고 있다. 처리 용기(100)는 용기 본체(200)와 덮개체(300)로 구성된다. 용기 본체(200)는, 그 상부가 개구된 바닥이 있는 정육면제 형상을 갖고 있고, 그 개구는 덮개체(300)에 의해 폐색되어 있다. 덮개체(300)는 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)로 구성되어 있다. 용기 본체(200)와 하부 덮개체(300b)와의 접촉면에는 O링(205)이 설치되어 있고, 이에 따라 용기 본체(200)와 하부 덮개체(300b)가 밀폐되어, 처리실이 획정(define)된다. 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)와의 접촉면에도 O링(210) 및 O링(215)이 설치되어 있고, 이에 따라, 상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)가 밀폐되어 있다. 용기 본체(200) 및 덮개체(300)는, 예를 들면, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어져, 전기적으로 접지되어 있다.
처리 용기(100)의 내부에는, 기판(G)을 올려놓기 위한 서셉터(susceptor; 105)(스테이지)가 설치되어 있다. 서셉터(105)는 예를 들면 질화 알루미늄으로 형성되어 있다. 서셉터(105)는 지지체(110)에 지지되어 있고, 그 주위에는 처리실의 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 배플판(baffle plate; 115)이 설치되어 있다. 처리 용기(100)의 저부(底部)에는 가스 배출관(120)이 설치되어 있어, 처리 용기(100)의 외부에 설치된 진공 펌프(도시하지 않음)를 이용하여 처리 용기(100) 내의 가스가 배출된다.
(천정면의 구성)
도 2를 참조하면, 처리 용기(100)의 천정면에는, 유전체판(305), 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)가 규칙적으로 배치되어 있다. 유전체판(305) 및 금속 전극(310)은, 기판(G)이나 처리 용기(100)에 대하여 대략 45° 기울어진 위치에 등피치로 20매 배치된다. 유전체판(305)의 근소하게 깎인 모서리부끼리는 인접하여 배치된다. 금속 커버(320)는 유전체판(305) 및 금속 전극(310)의 사이에 12매 배치된다.
천정면에는 또한, 모든 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)를 둘러싸는 사이드 커버(350)가 설치되어 있다. 유전체판(305), 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)는 근소하게 모서리가 깎인 거의 정사각형의 플레이트이다. 금속 전극(310)은, 금속 전극(310)의 외연부(外緣部)로부터 유전체판(305)이 대략 균등하게 노출되도록 유전체판(305)에 인접하여 설치된 평판이다. 이러한 구성에 의해, 유전체판(305)은, 덮개체(300)의 내면과 금속 전극(310)에 의해 샌드위치되어, 처리 용기(100)의 내면에 밀착된다. 금속 전극(310)은 처리 용기(100)의 내벽과 전기적으로 접속되어 있다.
재차 도 1을 보면, 금속 전극(310)과 금속 커버(320)는, 유전체판(305)의 두께만큼, 금속 커버(320) 쪽이 두껍다. 이러한 형상에 의하면, 천정면의 높이가 거의 동등해진다. 유전체판(305)은 알루미나에 의해 형성되고, 금속 전극(310), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)는 알루미늄 합금에 의해 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 유전체판(305) 및 금속 전극(310)의 매수는, 이에 한정되지 않고, 동일한 매수로 증감시킬 수 있다.
유전체판(305) 및 금속 전극(310)은, 유전체판(305)을 관통한 금속 전극(310)의 볼록부를 도 1에 나타낸 캡 너트(325)에 나사 고정함으로써 고정되어 있다. 금속 커버(320)는, 와셔(345)를 하부 덮개체(300b)의 오목한 면에 개재시키면서 볼트(330)를 금속 커버(320)에 형성된 오목부에 나사 고정함으로써 고정되어 있다. 캡 너트(325)와 하부 덮개체(300b)와의 사이에는 O링(220)이 설치되어 있어, 주 가스 유로(335)로부터의 가스가, 캡 너트(325) 내에 형성된 가스 유로(325a)를 통과하지 않고 처리 용기(100) 내로 방출되는 것을 방지한다.
상부 덮개체(300a)와 하부 덮개체(300b)와의 사이에는, 지면(paper)에 수직인 방향으로 주가스 유로(335)가 설치되어 있다. 주가스 유로(335)는, 복수의 캡 너트(325) 및 볼트(330) 내에 설치된 가스 유로(325a, 330a)에 가스를 분류한다. 가스 유로(325a, 330a)의 입구에는, 유로를 좁히는 노즐(342)이 감입되어 있다. 노즐(342)은 세라믹스나 금속으로 이루어진다.
금속 전극(310)에는 가스 유로(325a)와 연통하는 가스 유로(310a)가 형성되어 있고, 그 선단(front end)에서는 복수의 가스공(hl1)이 개구되어 있다. 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)에도 가스 유로(320a)가 형성되어 있고, 그 선단에서는 복수의 가스공(hl2)이 개구되어 있다. 너트(325) 및 볼트(330)의 선단면은, 플라즈마의 분포를 흐트리지 않도록, 금속 전극(310), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)의 플라즈마측의 면에 노출되어 있지 않다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 가스공(hl1) 및 가스공(hl2)은 균등한 피치로 배치되어 있다.
가스 공급원(905)으로부터 출력된 가스는, 주가스 유로(335)로부터 가스 유로(325a, 330a)를 통과하여 금속 전극(310) 내의 제1 가스 유로(310a) 및, 금속 커버(320)나 사이드 커버(350) 내의 제2 가스 유로(320a)를 통과하여, 가스공(hl1, hl2)으로부터 처리실 내로 공급된다.
이와 같이 하여 천정부의 금속면에 가스 샤워 플레이트를 형성함으로써, 종래 발생하고 있던, 플라즈마 중의 이온에 의한 유전체판 표면의 에칭 및 처리 용기 내벽으로의 반응 생성물의 퇴적을 억제하여, 오염이나 파티클의 저감을 도모할 수 있다. 또한, 유전체와 상이하게 금속은 가공이 용이하기 때문에, 비용을 큰 폭으로 저감할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 유전체판(305)은, 유전체판(305)에 일 대 일로 인접한 금속 전극(310)과 유전체판(305)이 배치되어 있지 않은 금속 커버(320)의 사이로부터 노출되어 있다. 1매의 금속 전극(310)을 중심으로 인접하는 금속 커버(320)의 중심점을 꼭지점으로 갖는 영역을 셀(Cel)로 하여, 가상적으로 천정면을 균등한 영역으로 획정한다. 천정면에서는, 셀(Cel)을 1단위로 하여 동일 패턴의 구성이 20셀 규칙적으로 배치되어 있다. 각 셀(Cel)은 정사각형이다.
이에 따라, 각 셀로부터 균등하게 마이크로파의 전력이 공급된다. 이 결과, 유전체판(305)으로부터 방출된 마이크로파는, 표면파가 되어 전력을 절반으로 분배하면서 금속 전극(310) 및 금속 커버(320)의 표면을 전반한다. 처리 용기 내면의 금속면과 플라즈마와의 사이를 전반하는 표면파를, 이하, 금속 표면파(Metal Surface Wave)라고 한다. 이에 따라, 천정면 전체에 금속 표면파가 전반하여, 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 천정면의 하방에서 균일한 플라즈마가 안정적으로 생성된다.
최외주(最外周)의 셀(Cel)의 경계 근방에는, 모든 금속 전극(310), 유전체판(305), 금속 커버(320) 및 사이드 커버(350)를 둘러싸는 홈(340)이 직사각형 형상으로 형성되어 있다. 천정면을 전반하는 금속 표면파가, 홈(340)보다 외측으로 전반하는 것을 억제한다. 홈(340)은 본 실시 형태와 같이 한겹이어도 좋고, 이중이나 삼중이라도 좋다.
도 1에 나타낸 냉매 공급원(910)은, 덮개체(300)의 내부의 냉매 배관(910a)에 접속되어 있고, 냉매 공급원(910)으로부터 공급된 냉매가 냉매 배관(910a) 내를 순환하여 재차 냉매 공급원(910)으로 되돌아감으로써, 덮개체(300)의 주로 하부 덮개체(300b)의 가열을 억제하게 되어 있다.
(전송 선로)
다음으로, 마이크로파를 전송하는 전송 선로에 대해서 설명한다. 마이크로파원(900)은 915㎒의 마이크로파를 출력한다. 덮개체(300)에는 마이크로파를 전송시키는 동축관이 매입되어 있다. 덮개체(300)를 구멍을 뚫어 형성된 제1 동축관(610)의 외부 도체(610b)에는, 내부 도체(610a)가 삽입되어 있다. 제1 동축관(610)의 단부는, 유전체판(305)에 맞닿아 있다. 이와 같이 하여, 복수의 제1 동축관(610)은 복수의 유전체판(305)에 일 대 일로 설치되고, 이에 따라, 마이크로파를 복수의 유전체판(305)으로 전송한다.
동일하게, 뚫어서 형성된 제3 동축관(630)∼제5 동축관(650)의 외부 도체(630b∼650b)에는 내부 도체(630a∼650a)가 삽입되고, 그 상부는 덮개 커버(660)로 덮여 있다. 동축관 분배기의 주관(700)에는, 마이크로파원(900)을 향하는 제2 동축관(620)이 연결되어 있다. 제2 동축관(620)과 주관(700)과의 연결 부분에는 테플론 링(800)(테플론은 등록상표)이 설치되어 있다. 테플론 링(800)에는 제2 동축관(620)의 내부 도체(620a)가 관통되어 있다. 테플론 링(800)은 내부 도체(620a)를 외부 도체(620b)에 고정함과 함께, 마이크로파가 전송될 때의 반사를 억제하게 되어 있다. 각 동축관의 내부 도체는 열전도가 좋은 구리로 형성되어 있다.
제1 동축관(610)의 외주의 하부 덮개체(300b)와 유전체판(305)과의 접촉면에는 O링(225)이 설치되어 있어, 제1 동축관(610) 내의 대기가 처리 용기(100)의 내부로 들어가지 않게 되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 덮개체(300)의 상방에는, T분기 도파관(915)이 설치되어 있다. 도 4는 도 3의 4-4 단면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, T분기 도파관(915)은, 2개의 테이퍼 형상의 동축 도파관 변환기(605)를 통하여 2개의 제2 동축관(620)에 연결된다. T분기 도파관(915)의 분기 부분의 중앙 안쪽에는 정합용의 막대 형상 부재(915a)가 설치되어 있어, T분기 도파관(915)으로부터 각 제2 동축관(620)으로 마이크로파를 양호하게 전송하게 되어 있다. 마이크로파는, 마이크로파원(900)으로부터 출력되어, 정합기(920)에 의해 전원측과 부하측의 정합을 취하고, 테이퍼 형상의 동축 도파관 변환기(605)에 의해 반사를 억제하면서 각 동축관(620)으로 전송된다. 또한, 마이크로파원(900)과 정합기(920)와의 사이에는 아이솔레이터(isolator; 925)가 설치되어 있어, 정합이 충분히 취해져 있지 않은 상태에서도 반사파가 마이크로파원(900)으로 되돌아가는 것을 방지하고 있다.
(동축관 분배기와 분기 구조)
도 5는 도 1의 2-2 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 천정면을 20개의 셀(Cel)로 구획하여, G4.5 사이즈의 기판(920㎜×730㎜)을 처리한다.
도 5에는, 상기 전송 선로를 전송해 온 마이크로파를 복수의 제1 동축관(610)으로 분배하여 전송하는 동축관 분배기(600)가 상부 덮개체(300a) 내에 나란히 2개 매입되어 있다. 동축관 분배기(600)는, 주관(700), 제2 동축관(620), 제3 동축관(630), 제4 동축관(640) 및 제5 동축관(650)을 포함한다.
동축관 분배기(600)의 평면도를 나타낸 도 6 및 측면도를 나타낸 도 7을 참조하면서, 동축관 분배기(600)의 설명을 계속한다. 동축관 분배기(600)는, 주관(700), 제2 동축관(620) 및, 복수의 제1 동축관(610)에 각각 연결되는 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)를 갖는다. 주관(700)은, 제2 동축관(620), 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)에 연결되는 주동축관에 상당한다. 주관(700)의 외부 도체(700b)는, 제2 동축관(620)의 연결 위치에서 가장 굵어지고 제4 동축관(640)과의 연결 부분을 향하여 서서히 가늘어진다. 한편, 주관(700)의 내부 도체(700a)의 굵기는 일정하다.
제1 분기 구조(B1)는, 분기되지 않고 제3 동축관(630)에 직접 제1 동축관(610)이 연결되는 분기 구조를 갖는다. 즉, 제1 분기 구조(B1)는, 동축관 분배기(600)의 양단에 연결된 제3 동축관(630)을 분기시키는 일 없이 1개의 제1 동축관(610)에 각각 연결된다.
제2 분기 구조(B2)는, 제4 동축관(640)으로부터 T분기한 제5 동축관(650)의 양단에 2개의 제1 동축관(610)이 연결되는 분기 구조를 갖는다. 즉, 제2 분기 구조(B2)는, 동축관 분배기(600)에 양측으로 연결된 제4 동축관(640)을 T분기시켜 2개의 제1 동축관(610)에 각각 연결된다.
제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)는, 주관(700)에 교대로 연결되어 있다. 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)는, 제2 동축관(620)에 대하여 대칭적으로 동축관 분배기(600)에 연결되어 있다. 또한, 제2 동축관(620)은, 동축관 분배기(600)의 중앙에서 주관(700)으로 연결되어 있지만, 연결 위치는 이에 한정되지 않는다. 또한, 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)와 주관(700)과의 연결부에 있어서, 1개의 연결부에 2개의 동일한 분기 구조가 연결되어 있지만, 1개의 연결부에 상이한 분기 구조가 연결되어 있어도 좋고, 2개 이외의 수의 분기 구조가 연결되어 있어도 좋다. 또한, 내부 도체(700a)와 내부 도체(640a), 내부 도체(700a)와 내부 도체(630a)는 본 실시 형태에서는 수직이지만, 수직이 아니어도 좋다.
(제1 유전체)
도 1에 나타낸 제1 동축관(610)(제1 분기 구조의 동축관)에는, 테이퍼 형상의 제1 유전체(610c)가 매입되어 있다. 테이퍼 형상의 제1 유전체(610c)는, 제1 동축관(610)의 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 사이에 개재되어, 제3 동축관(630)과의 연결 부분으로부터 제1 동축관(610)의 하단부를 향하여 역(逆)테이퍼 형상으로 형성 및 배치된다. 제3 동축관(630)과 제1 동축관(610)과의 연결 부분에서는, 외부 도체의 공간이 크고, 그리고 내부 도체가 다소 둥글게 형성되어 있다. 이에 따라, 분기 부분에서의 마이크로파의 반사를 억제함과 함께, 테이퍼 형상의 제1 유전체(610c)를 고정한다. 테이퍼 형상의 제1 유전체(610c)는, 석영, 알루미나, 이트리아 등의 유전체로 형성된다.
이와 같이, 제1 유전체(610c)가 테이퍼 형상으로 형성됨으로써 제1 동축관(610)의 특성 임피던스를 변환할 수 있다. 또한, 제1 유전체(610c)는, 그 길이를 조정함으로써, 제1 동축관(610)을 전송하는 마이크로파의 위상을 조정할 수 있다. 특성 임피던스 변환 및 위상 조정에 대해서는 후술한다.
제1 동축관(610)의 연결 부분 상부의 내부 도체 및 외부 도체와의 사이는 테플론 로드(Teflon rod; 805)에 의해 지지된다. 제1 동축관(610)의 선단 근방에도 테플론 링(810)이 설치되어, 내부 도체(610a)를 외부 도체(610b)에 지지하게 되어 있다. 제5 동축관(650)에도, 동일하게 테플론 링(815)이 설치되어, 내부 도체(650a)를 외부 도체(650b)에 지지하게 되어 있다. 테플론 로드(805) 및 테플론 링(810, 815)은, 테플론(등록상표), 유리 함유 테플론, 석영, 알루미나, 이트리아 등의 유전체로 형성되어 있다.
주관(700)의 내부 도체(700a)와 외부 도체(700b)와의 사이에도 테플론 링(820)이 설치되어 있다. 테플론 링(820)은 테플론으로 형성되어 있다. 테플론 링(820)은 내부 도체(700a)를 외부 도체(700b)에 지지함과 함께, 그 비유전율과 두께에 의해 마이크로파의 전기장을 조정한다. 테플론 링(820)은, 테플론에 한정되지 않고, 유리 함유 테플론, 석영, 알루미나, 이트리아 등의 유전체로 형성되어 있어도 좋다.
부하로서의 플라즈마의 임피던스는 프로세스 조건에 따라 변화한다. 이 때문에, 부하로부터의 반사를 항상 0으로 하는 것은 원리적으로 할 수 없다. 부하로부터의 반사가 있어도 각 셀에 동일 진폭, 동일 위상의 마이크로파를 공급하는 분기 선로의 설계가 필요하다. 이 때문에, 부하로부터의 반사가 있어도 연결부(C1)와 연결부(C2)에 있어서의 마이크로파의 전압과 위상을 일치시키기 위해, 연결부(C1)와 연결부(C2) 간의 전기장을 2πrad의 정수배(본 실시 형태에서는 1배)로 한다(도 5, 8 참조).
본 실시 형태에서는, 제1 분기 구조(B1)와 제2 분기 구조(B2)의 2종류의 분기 구조가 형성되어 있어, 각각의 전기장이 상이하기 때문에, 연결부(C1)와 연결부(C2)에 있어서의 마이크로파의 위상을 일치시킨 것만으로는, 각 셀에 공급되는 마이크로파의 위상을 동일하게 할 수 없다. 이 때문에, 제1 분기 구조(B1)에는, 후술하는 위상 조정부가 설치되어 있다.
제1 분기 구조(B1)의 끝에 연결된 제1 동축관(610) 및 제2 분기 구조(B2)의 끝에 연결된 제1 동축관(610)은, 복수의 금속 전극(310)에 등피치로 각각 연결되어 있다. 각 피치는, 주관(700)의 전기장을 기준으로 하여 4πn/3rad(n은 정수)이다.
단, 셀의 피치의 1.5배는 중공(hollow)의 동축관의 마이크로파의 파장(이것은 자유 공간의 파장과 동등함)과 거의 동등하지만 조금 차이가 있다. 그래서, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 주관(700)의 내부 도체(700a)와 외부 도체(700b)와의 사이에 테플론(820)을 개재시켜, 연결부(C1)와 연결부(C2) 간의 전기장이 2πrad가 되도록 하고 있다. 이러한 조정 수단에 의해 셀 피치를 비교적 자유롭게 정할 수 있다.
[각 분기 구조의 임피던스 정합 및 위상 조정 기구]
다음으로, 도 8을 참조하면서, 각 분기 구조의 임피던스 정합 및 위상 조정 기구에 대해서 설명한다. 도 8은 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8에서는, 입력부(In) 우측의 제2 분기 구조(B2)는 생략되어 있다.
(특성 임피던스 변환/위상 조정부)
제1 유전체(610c)는, 테이퍼 형상 및 길이로 마이크로파의 반사를 억제하면서 특성 임피던스를 적절한 값으로 변환함과 동시에, 제1 분기 구조(B1)의 전기장을 조정하여 모든 셀에 공급되는 마이크로파의 위상을 일치시킨다.
동축관의 특성 임피던스는 다음식 (1)로 나타난다.
Figure 112011054509953-pct00001
여기에서, εr은 제1 유전체(610c)의 실효적인 비유전율, b는 제1 동축관(610)의 외부 도체(610b)의 지름, a는 제1 동축관(610)의 내부 도체(610a)의 지름이다.
식 (1)에 의하면, 제1 동축관(610)의 특성 임피던스를 변환하기 위해서는, 제1 유전체(610c)의 실효적인 비유전율(εr), 외부 도체(610b)의 지름, 내부 도체(610a)의 지름 중 어느 것을 변화시키면 좋다.
본 실시 형태에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 외부 도체(610b)의 지름 및 내부 도체(610a)의 지름은 변화시키지 않고, 제1 유전체(610c)의 실효적인 비유전율(εr)을 변화시키고 있다. 구체적으로는, 제1 유전체(610c)의 상부가 두껍고 하부가 얇아지도록 제1 유전체(610c)를 역테이퍼 형상으로 한다. 또한, 제1 유전체(610c)에는 비유전율(εr)이 3.8인 석영을 이용한다. 제1 동축관(610)의 상부에서는, 외부 도체(610b)와 내부 도체(610a)와의 사이의 공간이 제1 유전체(610c)로 충전되어 있기 때문에, 내외 도체 간의 비유전율은 3.8과 거의 동등해진다. 한편, 제1 동축관(610)의 하부가 될수록, 내외 도체 간을 채우는 물질은, 석영보다 공기의 비율이 높아진다. 따라서, 제1 동축관(610)의 내외 도체 간의 실효적인 비유전율(εr)은 3.8보다 서서히 작아진다. 식 (1)에 의하면, a, b의 변수에 변화가 없고, 실효적인 비유전율(εr)이 서서히 작아질 경우, 특성 임피던스(Z0)는 서서히 커진다. 따라서, 제1 유전체(610c)의 상부로부터 하부로 갈수록 특성 임피던스(Z0)는 커진다. 이와 같이 하여, 제1 유전체(610c)를 이용하여 마이크로파의 특성 임피던스를 소망하는 값으로 변환할 수 있다. 도 8에서는, 제1 유전체(610c)에 의해 실현되는 특성 임피던스 변환/위상 조정부에 의해, 제1 유전체(610c)가 배치되어 있는 제1 동축관(610) 하부의 특성 임피던스(30Ω)를 상부의 특성 임피던스(20Ω)로 변환하고 있다.
또한, 비유전율이 높을수록 마이크로파의 위상은 지연된다. 따라서, 제1 유전체(610c)의 테이퍼부의 길이가 길수록 마이크로파의 위상은 지연된다. 이 원리를 이용하여, 제1 분기 구조(B1)의 전기장을 조정하고 있다.
본 실시 형태에서는, 석영을 테이퍼 형상으로 형성함으로써, 마이크로파의 위상 조정과 특성 임피던스 변환을 동시에 행한다. 또한, 설계에 따라서는, 위상 조정부가 없어도 각 셀에 공급되는 마이크로파의 위상에 차이가 발생하지 않는 경우도 있다. 그 경우에는, 위상 조정은 불필요해진다. 또한, 특성 임피던스를 변환할 필요가 없이 위상만을 조정할 필요가 있는 경우에는, 유전체(610c)를 테이퍼 형상이 아닌 스트레이트(straight)로 해도 좋다.
특성 임피던스 변환/위상 조정부의 다른 구성예로서는, 예를 들면, 내부 도체(610a) 또는 외부 도체(610b)를 테이퍼 형상으로 하여, 내외 도체간을 석영 등의 유전체로 충전시켜도 좋다. 제1 유전체(610c)를 테이퍼 형상으로 할 필요가 없어, 가공시의 비용을 저감할 수 있다. 또한, 특성 임피던스 변환/위상 조정부를 제2 분기 구조(B2)에 설치해도 좋다.
(임피던스 정합)
이상의 특성 임피던스 변환/위상 조정부의 기능에 입각하여, 본 실시 형태에 있어서의 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)의 임피던스 정합에 대해서 설명한다.
전술한 바와 같이, 균일한 플라즈마를 생성하기 위해서는, 모든 셀에 동일한 파워(동일한 진폭)의 전력을 공급할 필요가 있다. 여기에서, 제2 분기 구조(B2)는, 2분기하면서 4개의 금속 전극(310)에 연결되어 있다. 한편, 제1 분기 구조(B1)는, 분기되지 않고 직접 1개의 금속 전극(310)에 연결되어 있다. 이와 같이, 분기 끝의 부하가 상이한 경우, 입력부(In)로부터 좌우의 주관(700)에 공급되는 마이크로파의 전력과 상하의 동축관에 공급되는 마이크로파의 전력을, 4:1로 배분하지 않으면, 각 셀(금속 전극(310))에 마이크로파의 전력을 등분할 수 없다.
이상과 같이 마이크로파의 전력을 배분하기 위해, 입력부(In)로부터 좌우로 연장되는 주관(700)을 본 특성 임피던스를 각각 75Ω로 하고, 입력부(In)로부터 상하로 연장되는 제3 동축관(630)을 본 특성 임피던스를 각각 300Ω로 한다. 이것은 다음과 같이 하여 산출할 수 있다.
입력부(In)로부터 입력부(In)에 연결되는 4개의 동축관을 본 임피던스는, 모두 저항성이라고 한다. 가로의 동축관에 대하여 다음식이 성립된다.
P1(가로의 동축관에 공급되는 전력)＝V2(입력부(In)의 전압)/R1(가로의 동축관을 본 저항)
세로의 동축관에 대하여 다음식이 성립된다.
P2(세로의 동축관에 공급되는 전력)＝V2(입력부(In)의 전압)/R2(세로의 동축관을 본 저항)
이에 따라, 식 (2)가 도출된다.
P1/P2＝4/1＝R2/R1···(2)
또한, 입력부(In)에서 반사가 발생하지 않기 위해서는, 병렬 접속된 4개의 분기단의 합성 임피던스를, 분기원인 제2 동축관(620)의 특성 임피던스와 일치시키면 좋다. 본 실시 형태에서는, 동축관에서의 전력 로스를 최소로 하기 위해, 제2 동축관(620)의 특성 임피던스를 30Ω로 했다. 즉, 다음식 (3)이 성립된다.
1/(1/R1+1/R1+1/R2+1/R2)＝30Ω···(3)
식 (2) (3)에 의해, R1＝75Ω, R2＝300Ω가 도출된다. 이상의 계산에 기초하여, 입력부(In)로부터 본 좌우의 임피던스를 75Ω로 하고, 입력부(In)로부터 본 상하의 임피던스를 300Ω로 하도록 각 동축관의 특성 임피던스를 정한다.
(제2 분기 구조의 임피던스 정합)
우선, 제2 분기 구조(B2)측의 임피던스 정합에 대해서 설명한다. 전계 집중과 부하측으로부터의 반사를 억제하기 위해, 각 셀의 금속 전극(310)에 연결되는 제1 동축관(610)의 하부의 특성 임피던스를, 예를 들면 20Ω로 설정한다. 이에 대하여, 제1 동축관(610)의 상부의 특성 임피던스를 30Ω로 하도록 제1 동축관(610)의 내부 도체(610a)에 단차를 설치한다. 또한, 제1 동축관(610)의 하부의 길이를 조정함으로써, 반사를 보다 작게 억제한다. 또한, 제5 동축관(650)의 특성 임피던스를 제1 동축관(610)의 상부의 특성 임피던스와 동일한 30Ω로 한다.
입력부(In)로부터 좌측을 본 임피던스를 75Ω로 하기 위해, 입력부(In) 근방의 주관(700)의 특성 임피던스를 75Ω로 함과 함께, 부하 임피던스를 이 값으로 정합시킨다. 여기에서는, 주관(700)의 외부 도체(700b)를 서서히 가늘게 하여 테이퍼 형상으로 하고 있고, 제2 분기 구조와의 연결부 근방의 주관(700)의 특성 임피던스는 60Ω로 되어 있다. 이는, 제4 동축관(640)의 전기장을 소망하는 길이에 맞추기 위해서이지만, 반드시 주관(700)을 이와 같이 테이퍼 형상으로 할 필요는 없다.
부하 임피던스를 정합시키기 위해, 연결부(C2)로부터 제4 동축관을 본 임피던스를, 주관(700)의 특성 임피던스 60Ω의 2배로 맞출 필요가 있다. 이것은, 연결부(C2)에 제4 동축관이 2개 접속되어 있기 때문이다.
또한, 주관(700)의 단부로부터 그 단부에 가장 가까운 분기 구조의 연결 부분까지의 전기장은, 대략 π/2rad의 홀수배(여기에서는, 1배)로 동일하게 되어 있다. 이에 따라, 이 사이는, 일단이 단락(short-circuited)된 분포 정수 선로로 간주할 수 있다. 이와 같이, 일단이 단락된 전기장이 π/2rad인 분포 정수 선로는, 다른 일단으로부터 보면 임피던스가 무한대로 보인다. 따라서, 마이크로파의 전송에 있어서 주관(700)의 단부로부터 연결 부분까지의 부분은 존재하지 않는 것이나 다름없게 되어, 전송 선로의 설계가 용이해진다.
분기부(T)로부터 2개의 제5 동축관(650)을 본 합성의 임피던스는, 제5 동축관(650)의 특성 임피던스 30Ω의 1/2이 된다. 제4 동축관(640)은, 이들 임피던스의 관계를 만족시키기 위한 임피던스 변환기로서 기능하여, 전기장과 특성 임피던스가 다음과 같이 설계된다. 우선, 제4 동축관(640)의 전기장을 π/2rad로 한다. 또한, 제4 동축관(640)의 특성 임피던스(Zc4)는, 다음식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112011054509953-pct00002
여기에서, Zc7은 주관(700)의(분기부(C2) 근방의) 특성 임피던스, Zc5는 동축관(650)의 특성 임피던스이다. 식 (4)에 Zc7＝60Ω, Zc5＝30Ω를 대입하면, Zc4＝42.4Ω이 된다.
(제1 분기 구조의 임피던스 정합)
다음으로, 제1 분기 구조(B1)측의 임피던스 정합에 대해서 설명한다. 제2 분기 구조의 임피던스 정합의 경우와 동일하게, 전계 집중과 부하측으로부터의 반사를 억제하기 위해, 각 셀의 금속 전극(310)에 연결되는 제1 동축관(610)의 하부의 특성 임피던스를 20Ω로 설정한다. 이에 대하여, 제1 동축관(610)의 상부의 특성 임피던스를 30Ω로 하도록 제1 동축관(610)의 내부 도체(610a)에 단차를 설치함과 함께, 반사가 발생하지 않도록 하부의 길이를 조정한다.
제1 동축관(610)의 특성 임피던스 변환/위상 조정부에는, 실제로는, 전술한 바와 같이, 내부 도체(610a)와 외부 도체(610b)와의 사이에 역테이퍼 형상의 제1 유전체(610c)가 설치된 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 제1 유전체(610c)의 역테이퍼를 이용하여 제1 동축관(610) 상측의 출력측으로부터 입력측을 향하여 비유전율(εr)을 서서히 크게 함으로써, 상기식 (1)에 따라 제1 동축관(610) 상측의 출력측으로부터 입력측을 향하여 특성 임피던스를 서서히 작게 할 수 있다. 이에 따라, 반사를 억제하면서, 제1 동축관(610) 상측의 출력측의 특성 임피던스를 30Ω, 입력측의 특성 임피던스를 20Ω로 할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 입력부(In)로부터 상하의 동축관을 본 임피던스(Zin)는 300Ω로 하지 않으면 안 된다. 제3 동축관(630)은, 이들 임피던스의 관계를 만족시키기 위한 임피던스 변환기로서 기능하여, 전기장과 특성 임피던스가 다음과 같이 설계된다. 우선, 제3 동축관(630)의 전기장을 π/2rad로 한다. 또한, 제3 동축관(630)의 특성 임피던스(Zc3)는 다음식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112011054509953-pct00003
여기에서, Zc1은 동축관(610)의 특성 임피던스 변환부 상부의 특성 임피던스이다. 식 (5)에 Zin＝300Ω、Zc1＝20Ω를 대입하면, Zc3＝77.4Ω이 된다.
[효과의 예]
이상과 같이, 분기 구조의 최적화를 도모한 동축관 분배기(600) 분기 회로에 대해서, 반사의 상태 및 위상의 상태를 시뮬레이션에 의해 구했다. 도 9는, 도 7에 나타내는 각 포트에 있어서의 마이크로파의 입사, 반사, 투과 상태를 S파라미터로 표기한 결과이다. 그 결과를 도 9에 나타낸다. S11은, 포트(1)로부터 입력되고 포트(1)로부터 출력되는 마이크로파를 나타내고 있다. 즉, S11은, 포트(1)로부터 출력되는 마이크로파의 반사파 및 위상(괄호 내)을 나타낸다. 이에 의하면, 포트(1)로부터의 마이크로파의 반사는, 「0.003」으로 거의 「0」이고, 반사가 매우 작은 것을 알 수 있다.
다음으로, S12∼S16에 대해서 검증한다. S12∼S16은, 도 7의 포트(1)로부터 입력되고 포트(2∼6)로부터 각각 출력되는 마이크로파를 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과에 의하면, 포트(2∼6)로부터 출력되는 마이크로파의 진폭은, 「0.446」 또는 「0.447」이고, 거의 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 포트(2∼6)로부터 출력되는 마이크로파의 위상도 「-119°」로 완전하게 일치하고 있다. 이 결과, 제1 분기 구조(B1), 제2 분기 구조(B2)라는 상이한 분기 구조의 전송로에 있어서도, 진폭과 위상이 일치된 마이크로파를 처리 용기 내에 공급할 수 있는 것이 증명되었다. 이에 따라, 기판 사이즈, 셀 개수, (즉, 분기수)에 비교적 제한되지 않는 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 설계를 실현할 수 있는 것을 알았다.
즉, 동축관 분배기(600)의 주관(700)에 상이한 구성의 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)를 연결함으로써, 제1 동축관(610)의 배치 위치를 적정화할 수 있다. 이 결과, 크기가 미리 정해져 있는 기판(G)에 대하여 셀(Cel)의 형상을 정사각형으로 할 수 있음과 함께, 셀(Cel)의 면적을 비교적 크게 할 수 있다. 이 결과, 셀(Cel)의 형상을 정사각형으로 함으로써 기판에 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있음과 함께, 셀(Cel)의 면적을 비교적 크게 함으로써 비용을 저감시킬 수 있다.
<제1 실시 형태의 변형예>
[변형예 1에 따른 분기 구조]
도 10 “b”에 나타낸 바와 같이, 지금까지 서술해 온 10분기(셀 수: 5×2＝10)의 분기 구조를 기본으로 하여, 도 10 “a”, 도 10 “c”∼도 10 “e” 등의 변형예를 생각할 수 있다. 예를 들면, 도 10 “a”에 나타낸 변형예 1에 따른 분기 구조에서는, 제2 동축관(입력부(In))에 제2 분기 구조가 배치되고, 그 양측으로 제1 분기 구조(B1)가 동축관 분배기(600)의 주관(700)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 즉, 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)는, 제2 동축관(입력부(In))으로부터 양측을 향하여 제2 분기 구조(B2), 제1 분기 구조(B1)의 순으로 주관(700)에 연결되어 있다. 이 경우, 셀 수는 8(＝4×2)이 된다.
제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)가 동축관 분배기(600)의 주관(700)에 연결되는 연결 부분의 피치는, 2πnrad(n은 정수, 여기에서는 n＝1)로 되어 있다.
[변형예 2에 따른 분기 구조]
도 10 “c”에 나타낸 변형예 2에 따른 분기 구조에서는, 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)는, 동축관 분배기(600)의 주관(700)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 즉, 제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)는, 제2 동축관(입력부(In))으로부터 양측을 향하여 제1 분기 구조(B1), 제2 분기 구조(B2)의 순으로 주관(700)에 연결되어 있다. 이 경우, 셀 수는 12(＝6×2)가 된다.
제1 분기 구조(B1) 및 제2 분기 구조(B2)가 동축관 분배기(600)의 주관(700)에 연결되는 연결 부분의 피치는, 입력부(In)를 제외하고 2πnrad(n은 정수, 여기에서는 n＝1)로 되어 있다.
입력부(In)에서 제1 분기 구조(B1)까지의 사이의 길이는 자유롭게 정해진다. 한편, 제1 분기 구조(B1)의 연결부에서 제2 분기 구조(B2)의 연결부까지의 거리는, 2πnrad(n은 정수)로 한다. 이에 따라, 동일 진폭의 마이크로파를 각 셀에 공급할 수 있다.
[변형예 3에 따른 분기 구조]
도 10 “d”에 나타낸 변형예 3에 따른 분기 구조에서는, 제1 분기 구조(B1)를 중심으로 하여, 제2 분기 구조(B2), 제1 분기 구조(B1)가 입력부(In)의 양측에 교대로 출현한다. 이 경우, 셀 수는, 14(＝7×2)가 된다. 그때, 제1 분기 구조(B1)의 연결부와 제2 분기 구조(B2)의 연결부와의 거리는, 모두 2πnrad(n은 정수)로 한다. 이에 따라, 동일 진폭의 마이크로파를 각 셀에 공급할 수 있다.
[변형예 4에 따른 분기 구조]
도 10 “e”에 나타낸 변형예 4에 따른 분기 구조에서는, 도 10 “c”의 동축관 분배기(600)에 대하여, 가장 외측에, 추가로 제1 분기 구조(B1)가 연결되어 있다. 이 경우, 셀 수는 16(＝8×2)이 된다. 이 경우에도, 입력부(In)에서 제1 분기 구조(B1)까지의 사이의 길이는 자유롭게 정해진다. 제1 분기 구조(B1)의 연결부와 제2 분기 구조(B2)의 연결부와의 거리는, 2πnrad(n은 정수)로 한다. 이에 따라, 동일 진폭의 마이크로파를 각 셀에 공급할 수 있다.
도 10 “a”∼도 10 “c”에 나타낸 분기 구조에서는, 상기 거리 2πnrad를 관리해야 할 위치는 입력부(In)의 양측에 1개소씩뿐이다. 한편, 도 10 “d” 및 도 10 “e”에 나타낸 분기 구조에서는, 상기 거리 2πnrad를 관리해야 할 위치는 입력부(In)의 양측에 2개소씩 있다.
마이크로파원(900)의 주파수 허용 범위는 마그네트론의 특성에 기초하여 정해지고, 도 10 “a”∼도 10 “c”에 나타낸 1개소의 피치 관리에 대해서는, 기준 주파수의 ±1％ 정도가 된다. 이에 대하여, 도 10 “d” 및 도 10 “e”에 나타낸 2개소의 피치 관리에 대하여, 마이크로파원(900)의 주파수 허용 범위는 기준 주파수 ±0.5％ 정도와, 도 10 “a”∼도 10 “c”의 경우의 절반이 되어 버린다.
이상으로부터, 횡방향의 셀 수가 4, 5 또는 6개인 도 10 “a”∼도 10 “c”의 장치 쪽이, 횡방향의 셀 수가 7 또는 8개인 도 10 “d” 및 도 10 “e”의 장치보다 관리가 간단하고, 마이크로파를 보다 균등하게 분배하기 쉽다.
[변형예 5에 따른 분기 구조]
도 11에 나타낸 변형예 5에서는, 도 10 “c”의 동축관 분배기(600)의 구성이 병렬로 4개 나열되어 있다. 이에 의하면, 태양전지 기판 사이즈 1.20m×1.64m에 적합한 플라즈마 여기 영역을 확보할 수 있다.
[변형예 6에 따른 분기 구조]
도 12에 나타낸 변형예 6에서는, 도 10 “b”의 동축관 분배기(600)의 구성이 종횡으로 4개씩 합계 8개 늘어서 있다. 이에 따라, 태양전지 기판 사이즈 1.64m×2.08m에 적합한 플라즈마 여기 영역을 확보할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 생각이 미칠 수 있는 것은 분명하고, 이것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들면, 위상 조정부는, 특성 임피던스 변환부와 동일 위치에 설치되어 있지 않아도 좋다. 특성 임피던스 변환부와 상이한 위치에 설치되어 있는 경우, 위상 조정부는 위상만 조정해도 좋다. 또한, 위상 조정부는 제1 동축관 이외의 동축관에 설치할 수도 있다.
이상에서 설명한 각 실시 형태에서는, 915㎒의 마이크로파를 출력하는 마이크로파원(900)을 들었지만, 896㎒, 922㎒, 2.45㎓ 등의 마이크로파를 출력하는 마이크로파원이라도 좋다. 또한, 마이크로파원은, 플라즈마를 여기하기 위한 전자파를 발생하는 전자파원의 일 예이고, 100㎒ 이상의 전자파를 출력하는 전자파원이면, 마그네트론이나 고주파 전원도 포함된다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 전술한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 한정되지 않고, 성막 처리, 확산 처리, 에칭 처리, 애싱 처리, 플라즈마 도핑 처리 등, 플라즈마에 의해 피처리체를 미세 가공하는 플라즈마 처리 장치이면 된다.
또한, 예를 들면, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 대면적의 유리 기판, 원형의 실리콘 웨이퍼나 각형의 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 처리할 수도 있다.

Claims (19)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전자파에 의해 가스를 여기시켜 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치로서,
    처리 용기와,
    전자파를 출력하는 전자파원과,
    상기 전자파원으로부터 출력된 전자파를 전송하는 전송 선로와,
    상기 처리 용기의 내면에 설치되어, 전자파를 상기 처리 용기 내로 방출하는 복수의 유전체판과,
    하단이 상기 복수의 유전체판에 인접하여, 전자파를 상기 복수의 유전체판으로 전송하는 복수의 제1 동축관과,
    상기 전자파원으로부터 상기 전송 선로를 통해 전송된 전자파를 상기 복수의 제1 동축관에 분배하여 전송하는 동축관 분배기를 구비하고,
    상기 동축관 분배기는, 주(主)동축관과, 상단이 상기 주동축관의 제1 연결부에 연결되고 하단이 상기 복수의 제1 동축관 중 일부의 상단에 연결된 제1 분기 구조와, 상단이 상기 주동축관의 제2 연결부에 연결되고 하단이 상기 복수의 제1 동축관 중 다른 일부의 상단에 연결된 제2 분기 구조를 포함하고,
    상기 제1 분기 구조와 상기 제2 분기 구조는, 서로 다른 구성이며,
    상기 복수의 제1 동축관 중 적어도 어느 하나에는, 지름이 일정한 내부 도체와, 지름이 일정한 외부 도체가 동축으로 배치되어 있고,
    상기 내부 도체와 상기 외부 도체와의 사이에는, 제1 유전체가 개재되어 있고,
    상기 제1 유전체는, 상기 복수의 제1 동축관 중 상기 적어도 어느 하나의 상단에서는 상기 내부 도체와 상기 외부 도체의 사이의 공간이 상기 제1 유전체로 충전되고, 상기 복수의 제1 동축관 중 상기 적어도 어느 하나의 하단측으로 감에 따라 상기 제1 유전체의 두께가 얇아지고 공기의 비율이 높아지는 역테이퍼 형상인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주동축관에 연결되는 입력부를 갖는 제2 동축관을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분기 구조는, 상기 제1 연결부에 연결된 적어도 하나의 제3 동축관을 갖고, 하나의 상기 제3 동축관에 하나의 상기 제1 동축관이 연결된 플라즈마 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 분기 구조는, 상기 제2 연결부에 연결된 적어도 하나의 제4 동축관을 갖고, 하나의 상기 제4 동축관에 제5 동축관을 통하여 적어도 2개의 상기 제1 동축관이 연결된 플라즈마 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 주동축관에 교대로 연결되는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 주동축관에 연결되는 제2 동축관을 추가로 구비하고,
    상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 제2 동축관과 상기 주동축관과의 연결부로부터 상기 주동축관의 양측을 향하여 상기 주동축관에 교대로 연결되는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조가 상기 주동축관에 연결되는 연결 부분의 피치는, 전기장(electric length)으로 2πnrad(n은 정수)인 플라즈마 처리 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 주동축관에 연결되는 제2 동축관을 추가로 구비하고,
    상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조가 상기 주동축관에 연결되는 연결 부분의 피치는, 상기 제2 동축관과 상기 주동축관과의 연결부를 제외하고 전기장으로 2πnrad(n은 정수)인 플라즈마 처리 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 주동축관에 연결되는 제2 동축관을 추가로 구비하고,
    상기 제1 분기 구조 및 상기 제2 분기 구조는, 상기 제2 동축관에 대하여 대칭적으로 상기 주동축관에 연결되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유전체는 그 길이에 따라 상기 제1 동축관의 전기장을 조정하는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 동축관은, 상기 복수의 유전체판에 등(等)피치로 각각 연결되고, 각 피치는, 상기 주동축관의 전기장을 기준으로 하여 4πn/3rad(n은 정수)인 플라즈마 처리 장치.
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